[发明专利]非接触控制增材制造金属零件凝固组织的方法及装置

摘要

本发明公开了一种非接触控制增材制造金属零件凝固组织的方法及磁控金属3D打印装置，在金属3D打印的快速凝固过程中施加电磁场，在电磁场的作用下，快速凝固的固/液界面处能够产生热电流，热电流与磁场相互作用产生触发熔体流动的热电磁力，枝晶端部受到力的作用后产生剪切，造成枝晶碎断，形成大量新的晶核；另一方面，熔体的流动减缓了固/液界面前沿的温度梯度，使得两相区成分过冷增加，进而增加了形核率。达到细化晶粒，改善晶粒的形貌，使组织变得均匀致密，进而实现金属3D打印零件的组织控制。

主权项

一种磁控金属3D打印装置，由原料供应装置单元、熔融烧结系统单元、主控制器和电源组成，所述电源为各系统提供电能，所述主控制器控制3D打印装置的各工作单元，其特征在于：所述原料供应装置单元是竖直重力输送原料装置和水平铺展输送原料装置中的任意一种独立的原料供应装置或两种输送原料装置联合使用的综合原料供应装置，所述竖直重力输送原料装置由送粉器供料罐(9)和送粉管(7)组成，所述送粉器供料罐(9)内部形成送粉器原料粉末腔(8)，所述送粉管(7)的扩张段安装在所述送粉器供料罐(9)的下方，形成漏斗状的原料重力输送通道，在送粉管(7)收缩段的底部形成送粉口(6)，使所述送粉器供料罐(9)通过送粉器原料粉末腔(8)底部开口落入所述送粉管(7)后，通过送粉口(6)将原料送到目标位置，所述水平铺展输送原料装置由铺粉原料粉末桶(1)、铺粉原料粉末升降台(2)和铺展/压实辊(4)组成，所述铺粉原料粉末桶(1)的内部形成铺粉原料粉末腔(3)，所述铺粉原料粉末升降台(2)安装在所述铺粉原料粉末桶(1)的铺粉原料粉末腔(3)内，控制所述铺粉原料粉末升降台(2)沿着铺粉原料粉末腔(3)移动将原料送出，所述熔融烧结系统单元包括烧结平台装置和熔融热源装置，所述烧结平台装置可移动地设置在所述竖直重力输送原料装置的下方，所述烧结平台装置包括烧结桶(18)，所述烧结桶(18)竖直设置，在述烧结桶(18)中设置可竖直移动的烧结板升降台(16)，所述烧结板升降台(16)上固定设置烧结板(15)，在所述烧结板(15)上制造生成3D打印零件(14)，还设置产生水平横向磁场的水平磁场发生器和产生竖直方向磁场的竖直磁场发生装置(17)，形成外部磁场系统，所述水平磁场发生器设置在靠近所述烧结桶(18)的上部开口边缘位置处，所述水平磁场发生器至少包括产生左右方向磁场的第一水平磁场发生器(5)和产生前后方向磁场的第二水平磁场发生器(19)，在所述烧结板升降台(16)下方还设有竖直磁场发生装置(17)，所述熔融热源装置由热源发生器(12)和热源聚焦‑偏转装置(11)组成，所述热源聚焦‑偏转装置(11)通过热源聚焦系统支撑架(10)安装在所述送粉管(7)内部，所述热源发生器(12)产生热能，随后热能通过所述热源聚焦‑偏转装置(11)形成可控热源束(13)，通过调节所述热源聚焦‑偏转装置(11)使得可控热源束(13)的焦点与所述烧结板(15)表面重合，形成高温光斑，调节所述热源发生器(12)，对加工用热源束(13)的能量进行调节，在3D打印开始之前，主控制器根据使用者输入的3D打印操作指令参数选择启动外部磁场系统中的磁场发生器，并对各磁场发生器产生的磁场进行调控，形成仅有一个磁场方向的单一磁场或具有多个方向的复合磁场，在3D打印开始时，当选择所述竖直重力输送原料装置进行同轴送粉方式供料时，将原料由所述送粉器原料粉末腔(8)流入到所述送粉管(7)中，进而从所述送粉口(6)流出后，落到热源束(13)的热源焦点中心位置处，热源束(13)迅速将原料粉末熔化，在所述烧结板(15)上形成微小熔池，通过控制所述烧结桶(18)的水平运动，进而带动所述烧结板(15)进行水平方向的二维平面运动，依照‘点’形成‘线’，‘线’形成‘面’的逻辑完成3D打印零件(14)的单层烧结加工的工艺，然后控制所述烧结板(15)在所述烧结桶(18)中下降不高于50微米的高度，依次重复同轴送粉和所述单层烧结加工的工艺，即完成3D打印零件(14)的新一层的烧结加工，多次重复此加工逻辑，逐层使原料熔融堆积，最后3D打印出一个完整零件，或者在3D打印开始时，当选择所述水平铺展输送原料装置进行平铺送粉方式供料时，所述铺展/压实辊(4)进行水平移动，将所述铺粉原料粉末升降台(2)升起推送出的原料粉末平整的铺于所述烧结板(15)的上表面，在所述铺展/压实辊(4)进行水平运动回程时，所述铺展/压实辊(4)施加设定的压力将铺于所述烧结板(15)上的松装粉末进行压实，然后，通过调节所述热源聚焦‑偏转装置(11)，实现对热源束(13)扫描路径的规划，对所述水平铺展输送原料装置铺展、压实好的松装粉末层进行有选择的熔化‑凝固工艺操作，实现单层烧结加工的工艺，然后控制所述烧结板(15)在所述烧结桶(18)中下降不高于50微米的高度，依次重复平铺送粉和所述单层烧结加工的工艺，即完成3D打印零件(14)的新一层的烧结加工，多次重复此加工逻辑，逐层使原料熔融堆积，最后3D打印出一个完整零件。